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Charmonium als Sonde in Schwerionenstößen

Vortrag im Rahmen des Seminars Kern- und Teilchenphysik

WS 04/05Vortragender: Markus Rammler

Datum: 21.12.04

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Motivation

Quarks eingeschlossen infarbneutrale Hadronen

freie Quarks und Gluonenim Quark-Gluonen-Plasma

Aus der Gittereichfeldtheorie:

Von Interesse zum Verständnis der QCD .

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Erzeugung eines Quark – Gluon - Plasmas durch Schwerionenstöße.

Sonde muss in der frühen Phase der Kollision, vor Bildung des QGP, erzeugt werden.

Nur so genügend Informationen über das System

1986: T. Matsui und H. Satz:

Die Erzeugung von J/ wird in einem QGP unterdrückt.Dieses wird über seinen Zerfall in Myonen nachgewiesen.

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• Einleitung

• Theorie

• Experiment

• Ergebnisse

• Zusammenfassung

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Theorie

• Quantenchromodynamik

• Quark-Gluonen-Plasma ( QGP )

• Erzeugung von Charmonium

• Charmonium im QGP

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Quantenchromdynamik

Quarks im Innern von Hadronen werden durch ständigen Gluonenaustausch aneinander gebunden.

Farbwechselwirkung:Starke WW zwischen den Quarks durch die Farbladungender Quarks.

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Confinement

Mit zunehmendem Abstand bleibt die Kraft zwischen den Quarks konstant.

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Quark-Gluonen-Plasma ( QGP )

RHICSPS

Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie

raumzeitliche Entwicklung einerSchwerionenkollision

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Erzeugung von Charmonium

1.Erzeugung eines -Paares.

2.Farbneutralisation durchEmission oder Absorption

eines Gluons.

cc

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Charmonium im Quark-Gluon-Plasma

0

( )( )

rV r r

r

Potential im Vakuum:

Potential im QGP:

•Farbladungen werden abgeschirmt•Confinement ist aufgehoben

/( ) Deff r rV r er

screening length:Dr

Color-screening

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Das Potential in Abhängigkeit von der Entfernungfür verschiedene Temperaturen

Aus Gitterrechnungen:

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Befinden sich zwei Quarks im Abstand r voneinander, dann wird die Bindung aufgehoben, wenn :

Dr r

Sind die Charm-Quarks und Charm-Antiquarks innerhalb des QGP ungebunden, werden sie in der Hadronisierung mit den häufiger vorkommenden u und d Quarks D-Mesonen bilden.

Die Bildung der J/ wird also in einem QGP unterdrückt !!!

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Experiment

• Historie

• Versuchsaufbau

Luftbild vom CERN:Die Experimente wurden am SPS( Superprotonen-Synchrotron ) durchgeführt.

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Historie:

Die bei der Untersuchung hochenergetischer Schwerionenreaktionen eingesetzten Beschleuniger

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Versuchsaufbau

• Das Target• Zentralitätsdetektoren• Myonenspektrometer

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Das Target

Breites Target: Erhöhung der Nukleon-Nukleon WW

7 dünne Subtargets:

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Zentralität

- Ist ein Maß für die Energiedichte

Zentralität ist definiert durchden Stoßparameter b.Dieser ist nicht direkt bestimmbar.

1.) Elektromagnetischer Kalorimeter ( EC )

Bestimmung der ( neutralen ) transversalen Energie ET

0

Je größer ET ,desto zentraler

3 Detektoren zur Zentralitätsbestimmung:

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2.) Multiplizitätsdetektor ( MD )

Zählt die Anzahl und die Winkelverteilung der geladenen Sekundärteilchen die in den Subtargets erzeugt werden.

3.) Zero-Degree-Calorimeter ( ZDC )

Misst die Energie EZDC, der Zuschauerpartikel, die nicht an der Reaktion teilnehmen.

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Das Myonen - Spektrometer

Hadronen – Absorber:

•Stoppen der Teilchen, die auch in der Kollision Erzeugt werden, bevor sie in Myonen zerfallen.

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Torus-Magnet

Multi-Wire-Spurenkammern

0( )B

B r er

zur Rekonstruktion der Myonenbahnen

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Bestimmung des Ablenkwinkels im Magnetfeld führt zu pT:

Daraus lässt sich über pT der Gesamtimpuls p bestimmen:

sin( )Tp p

2 2 2m E p

2 21 2 1 2 1 22 2 cos( )m m E E p p

Die invariante Masse läßt sich nun leicht berechnen ( mit c = 1 ):

2 2 2 2 2 21 2 1 2( ) ( )E E p p

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Ergebnisse:

• Beiträge zum Dimyonenspektrum• Normale Absorption• Anormale Absorption

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•Der Drell-Yan-Prozess:

Ein Valenzquark eines Nukleons wechselwirkt mit einem Seequark

eines anderen Nukleons.

• Zerfall der J/ und -Resonanz • Zerfälle der D Mesonen

Beiträge zum Dimyonenspektrum

• Kombinatorischer Untergrund

0D K 0D K

z.B.:

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Das Dimyonenspektrum

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Der vorresonante Zustand kann erst nach einer Zeit von 0,3fm in ein vollständiges J/y umgewandelt werden und somit von einem Nukleon absorbiert werden.

Normale Absorption:

•Nukleare Absorption:

•Absorption durch hadronische Comovers:

Beide Effekte führen zur Unterdrückung des Charmoniums!

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Wirkungsquerschnitt Drell-Yan:

Wirkungsquerschnitt derJErzeugung beinuklearer Absorption:

Drell-Yan als Referenz:

Die J/-Unterdrückung wird gut durch die normale Absorption beschrieben.

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Vergleich der J/Ausbeute unterschiedlicherStrahlen-Target Kombination

Der Pb-Pb Punkt liegt deutlich unter dem Fit.

Anormale Absorption:

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J/-Unterdrückung als Funktion der Zentralität 1:

Die Wirkungsquerschnitte im Bereich von p-p bis zu den peripheren Pb-Pb-Kollisionen können mit der normalen Absorptions erklärt werden.Deutliche Abweichungen bei den zentralen Pb-Pb-Kollisionen

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J/-Unterdrückung als Funktion der Zentralität 2

Durchgezogene Linie steht für die Absorption.

Deutliche Abweichung von der Absorption je zentraler der Stoß.

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Zusammenfassung

•Erwartung der J/-Unterdrückung in einem QGP•Außerdem J/ Unterdrückung durch Absorption

•J/ Unterdrückung bei p-p, p-d, p-A Kolliosionen und bei Kollisionen der leichten Ionen kann durch Absorption erklärt werden.•Deutliche Abweichung der J/ Untedrückung von der normalen Absorption bei zentralen Pb-Pb Stößen.

Hinweise auf einen neuen Materiezustand( QGP )?

Erforschung am RHIC und in Zukunft am LHC unterBesseren Bedingungen sind wohl notwendig.

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“A New State of Matter Created at CERN”

“... compelling evidence for the existence of a new state

of matter in which quarks, instead of being bound up into

more complex particles such as protons and neutrons,

are liberated to roam freely.”

CERN press release,February 10th, 2000

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Literatur• Wong: Introduktion to High-Energy Heavy-Ionen Collisions (S.344-

381,292-341,155-174)• Experiments NA38 / NA 50 ( Zusammenfassung )• NA 50 Collaboration Abstract• T.Matsui und H.Satz: Abstract June 1986• Jean Paul Blaizot, Jean-Yves Ollitrault: Abstract (Hwa, QGP)• Helmut Satz: Contents ( Hwa, QGP )• L. Kluberg: NA 50 Proposal• Wenner Büsching: Doktorarbeit ( S. 7-15)• ResultsOfTheNA50ExperimentWithTheCERNSPSHeavyIonBeam• LookingForQuarkGluonPlasmaInPbPbCollisionsAt158Gev• L.Kluberg: 20 years J/y Suppresion at the CERN SPS, Results• F. Karsch: Deconfinment and Quarkonium suppression